Projection de céramiques par cold spray : influence de l’architecture de poudres agglomérées sur le comportement à l’impact et l’élaboration des dépôts

Cold spray of ceramics : influence of agglomerated powder architectureon impact behaviour and coating formation

• Auteur / Autrice : Geoffrey Céleste
• Direction : Vincent Guipont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 28/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cutard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Guipont, Marie-Pierre Planche, Sylvain Meille, Guillaume Kermouche, Alain Denoirjean, Djamel Missoum Benziane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Planche, Sylvain Meille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Revêtement de céramique

Matériaux

Mots clés libres

Cold spray

Céramique

Poudre agglomérée

Revêtement

Microstructure

Compression de poudre

Cold spray

Céramic

Agglomerated powder

Coating

Microstrucuture

Powder compression

Résumé

L'objectif du projet CERASOL (ANR-19-CE08-0009) est de développer des poudres céramiques agglomérées adaptées au procédé de projection dynamique par gaz froid, plus connu sous le nom de "Cold Spray" afin de préserver la nature et la composition des matériaux projetés pendant ce procédé de dépôt à l'état solide. Le cold spray peut être utilisé dans les technologies de revêtement et de modification de surface mais il entre également dans la voie de la fabrication additive. Son application pour obtenir des dépôts céramiques denses à l'état solide nécessite une meilleure compréhension des mécanismes de déformation et d'adhésion pendant l'impact et la construction de la couche. Les travaux de cette thèse sont basés sur le "design" de poudres céramiques agglomérées à porosité contrôlée pour lesquelles le degré d'agglomération, la taille des grains et des cristallites peuvent être variés et étudiés sur des céramiques de dureté et de ténacité variables avec une utilisation potentielle pour diverses applications. Les caractéristiques de la poudre sont alors reliées à ses propriétés mécaniques, à sa capacité à être déposée puis aux microstructures des dépôts obtenus par projection cold spray pour différents dispositifs : cold spray haute pression (HPCS), basse pression (LPCS) et un dispositif sous vide-dynamique (V-LPCS) développé pour le projet.Quatre poudres différentes sont caractérisées (physico-chimie et propriétés mécaniques) ainsi que leurs comportements à l’impact pendant la projection à froid. Parallèlement aux expérimentations, des calculs par éléments finis seront effectués pour contribuer à la compréhension des phénomènes de base lors d'un impact cold spray d'une poudre céramique agglomérée.

The objective of the CERASOL project (ANR-19-CE08-0009) is to develop agglomerated ceramic powders adapted to the dynamic cold gas spraying process, better known as "Cold Spray", in order to preserve the nature and composition of the materials sprayed during this solid-state deposition process. Cold spray can be used in coating and surface modification technologies, but it also enters the additive manufacturing field. Its application to obtain dense solid state ceramic deposits requires a better understanding of the deformation and adhesion mechanisms during impact and layer construction. The work presented in this thesis is based on the design of agglomerated ceramic powders with controlled porosity for which the degree of agglomeration, grain size and crystallite size can be varied and studied on ceramics of varying hardness and toughness with potential use in various applications. The characteristics of the powder are then related to its mechanical properties, its ability to be deposited and then to the microstructures of the deposits obtained by cold spray for different facilities: high pressure cold spray (HPCS), low pressure cold spray (LPCS) and a dynamic vacuum device (V-LPCS) developed for the project.Four different powders are studied (multi-scale and mechanical characterizations) as well as their deposition behavior during cold spraying. In parallel to the experiments, finite element calculations will be performed to contribute to the understanding of the basic phenomena during a cold spray impact of an agglomerated ceramic powder.